光在一般介質(zhì)中具有雙向傳輸?shù)幕ヒ仔裕蚱七@種互易性，即實(shí)現(xiàn)對光傳輸方向的非互易性，在經(jīng)典和量子信息處理中具有重要意義。光環(huán)形器、隔離器、定向放大器等是典型的非互易器件。其中光環(huán)形器允許光以“環(huán)形”的方式傳輸，可用于光源保護(hù)、精密測量，這種功能還可實(shí)現(xiàn)經(jīng)典或量子計(jì)算或通訊中信號的雙向處理，有利于提高信道容量與降低功耗。定向放大器也已經(jīng)被證明在基于超導(dǎo)回路的量子計(jì)算中具有重要意義。最常見的光學(xué)非互易器件主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)，但在器件集成化方面卻面臨著挑戰(zhàn)，難點(diǎn)包括磁光材料與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料不匹配、需要外加強(qiáng)磁場、在光頻范圍內(nèi)磁光材料具有很高的傳輸損耗等。因此全光控制的片上光環(huán)形器、隔離器以及定向放大器一直是研究的熱點(diǎn)。

　　

　　2016年該研究組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了回音壁模式微腔中腔光力的非互易特性[Nature Photonics 10, 657-661 (2016)]。在此基礎(chǔ)上，研究組利用單個(gè)光力微腔與雙波導(dǎo)耦合的體系，實(shí)現(xiàn)了多功能的光子器件，包括窄帶濾波器，具有非互易功能的四端口光環(huán)形器與定向放大器，并且這些功能模式可以通過改變控制光來實(shí)現(xiàn)任意切換。對于環(huán)形器而言，從端口1入射的信號光從端口2出射，從端口2入射的信號光從端口3出射，依此類推，構(gòu)成1-2-3-4-1的環(huán)形路徑，當(dāng)只關(guān)注端口1和2時(shí)，它也是一個(gè)高效的光隔離器;對于定向放大器，從端口1入射的信號光被放大后從端口2出射，但從端口2入射的信號光從端口3出射，而不會(huì)從端口1出射，因此在1-2的方向上具有定向放大的功能。該器件結(jié)構(gòu)簡單，原理具有普適性，甚至可實(shí)現(xiàn)單光子水平的光環(huán)形器，同時(shí)可推廣到任一具有行波模式的光力學(xué)體系，包括微波超導(dǎo)器件和集成聲學(xué)器件。

　　

　　助理研究員沈鎮(zhèn)、博士后張延磊、博士研究生陳元為該論文的共同第一作者，董春華、鄒長鈴、孫方穩(wěn)為通訊作者。上述研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院、國家自然科學(xué)基金委、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。

　　

基于腔光力學(xué)的環(huán)形器與定向放大器示意圖

　　

　　編輯點(diǎn)評

　　

　　這項(xiàng)研究成果是去年該小組關(guān)于布里淵非互易特性研究工作的延伸，擴(kuò)大了適用于非互易器件的腔光力體系，將工作波長擴(kuò)大到整個(gè)光波長甚至微波，尤其在體系的量子基態(tài)時(shí)，使單光子水平的光隔離成為可能，這將在以后的復(fù)合量子網(wǎng)絡(luò)方面發(fā)揮重要作用。

　　

　　（原標(biāo)題：中國科大研制成功全光控制的非互易多功能光子器件）